长输管线在役焊接烧穿失稳机制及安全评价研究

论文摘要

在役焊接是一种安全、环保、经济、高效的管道维修技术,适用于原油、成品油、化工介质、天然气等多种介质管线的正常维修改造和突发事故的抢修（如带压抢修、更换腐蚀管段、加装装置、分输改造等作业）。在役焊接修复可以保持管线的连续运行,具有巨大的经济效益和广阔的应用前景。在役焊接过程中容易出现烧穿失稳和氢致裂纹,其中避免烧穿失稳是实施管线在役焊接安全修复首先需要解决的问题。本文根据管线在役焊接的实际工况,采用平板腔室的设计方法,搭建了压力管道在役焊接烧穿模拟试验装置,采用该装置对X70管线钢进行了在役焊接烧穿试验。对在役焊接温度场和烧穿失稳熔池尺寸进行测量,观察分析在役焊接接头失稳形貌和显微组织的精细结构,并对在役焊接烧穿失稳机制和影响因素进行深入的研究。深入分析了在役焊接接头与管道输送介质之间的换热过程和特点,在充分考虑管道材质和管内输送介质物性参数随温度变化的基础上,修正了现行采用的换热系数公式,采用有限元软件SYSWELD建立三维有限元模型,对X70长输管线在役焊接温度场进行模拟,将管道强度降低的高温区域等效为瞬态“体积型缺陷”,计算管线允许的最大安全操作压力从而对长输管线在役焊接烧穿失稳进行判定。研究结果表明:在役焊接由于内部介质带走焊接接头的热量,导致其熔池尺寸和高温区范围变小,其热循环参数tH、t8/5、和t100均比常规焊接时小。在役焊接失稳模式主要有膨胀失稳和烧穿失稳,在介质压力作用下,焊接接头产生了“外凸”的膨胀变形,烧穿失稳的典型形貌为熔池前端高温区形成较小的烧穿孔洞。在役焊接膨胀变形与焊接温度场引起的热应力、内部介质的压力作用在管壁上产生的应力、管材自身的临界失稳应力有关,当前两者的综合作用应力超过材料临界失稳应力时,就会产生膨胀变形。烧穿失稳取决于电弧在管壁上形成的温度场和管内介质压力,当熔池区域的剩余强度不足以承载内部介质压力时,烧穿失稳就会发生。将材料在高温下的承载能力换算成在常温下的有效承载厚度,将局部高温引起的强度损失转换为常温下管壁的金属损失,这样将高温的在役焊接接头看成是含瞬态“体积型缺陷”的管道,该管道的最大安全操作压力可以通过DNV-RP-F101方法计算,从而判定烧穿发生的可能性。该方法在考虑管道内介质压力基础上,只需要计算温度场,从而能提高计算效率和预测精度。以VB6.0为平台设计了长输管线在役焊接烧穿失稳评定系统,该系统通过调用SYSWELD软件对在役焊接温度场进行求解,调用Matlab软件对管线最大安全操作压力进行分析计算,然后根据计算结果判定该工况下进行在役焊接的安全性。在0.1 MPa～5 MPa范围内,天然气管道在役焊接的最大安全操作压力随着内部压力的升高呈上升趋势;最大安全操作压力随着焊接热输入的增加而降低,在确保安全操作的条件下,应尽量采用较高的运行压力和较小的焊接热输入,减小在役焊接对管线正常运输的影响。通过正交设计试验可知,管道壁厚、焊接热输入和介质压力是影响在役焊接烧穿的主要因素,管道直径变化对在役焊接烧穿影响较小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 长输油气管道的失效
• 1.2.1 失效模式
• 1.2.2 失效原因
• 1.3 在役焊接修复技术
• 1.3.1 在役焊接发展概述
• 1.3.2 在役焊接修复技术
• 1.3.3 在役焊接烧穿失稳和影响因素
• 1.4 在役焊接烧穿失稳研究现状
• 1.4.1 在役焊接失稳的试验研究
• 1.4.2 在役焊接失稳的数值模拟研究
• 1.4.3 长输管线剩余强度评价
• 1.5 在役焊接烧穿研究的难点
• 1.6 研究目的及主要内容
• 1.6.1 研究目的
• 1.6.2 主要研究内容
• 第二章 在役焊接烧穿失稳试验研究
• 2.1 在役焊接试验装置的设计
• 2.1.1 试验装置的设计
• 2.1.2 平板腔室
• 2.1.3 介质确定
• 2.1.4 热循环测量
• 2.2 试验材料及方法
• 2.3 在役焊接热循环测试
• 2.4 在役焊接烧穿失稳影响因素
• 2.4.1 冷却条件对烧穿的影响
• 2.4.2 焊接热输入对烧穿的影响
• 2.4.3 板厚对烧穿的影响
• 2.5 本章小结
• 第三章 在役焊接烧穿失稳机制研究
• 3.1 在役焊接失稳模式及变形
• 3.1.1 失稳模式
• 3.1.2 变形特征
• 3.2 在役焊接烧穿失稳宏观形貌
• 3.2.1 冷却条件对烧穿形貌的影响
• 3.2.2 水介质流速对烧穿失稳形貌的影响
• 3.2.3 介质压力对焊接烧穿失稳形貌的影响
• 3.2.4 熔池尺寸
• 3.3 在役焊接烧穿失稳微观形貌
• 3.4 在役焊接失稳机制
• 3.5 本章小结
• 第四章 在役焊接温度场数值模拟
• 4.1 在役焊接换热机理及换热系数
• 4.1.1 焊接接头与空气的换热
• 4.1.2 焊接接头与水介质的换热
• 4.1.3 焊接接头与天然气介质的换热
• 4.2 在役焊接数值模拟模型的建立
• 4.2.1 数值模拟软件的选用
• 4.2.2 温度场控制方程及求解
• 4.2.3 物理模型的建立
• 4.2.4 SYSWELD 二次开发
• 4.3 薄板在役焊接温度场
• 4.4 本章小结
• 第五章 在役焊接烧穿预测方法的确定
• 5.1 在役管道的剩余强度评价
• 5.1.1 材料的流变应力
• 5.1.2 膨胀修正因子的影响
• 5.2 瞬态“体积型缺陷”等效计算
• 5.2.1 在役焊接接头温度场求解
• 5.2.2 高温区域等效为金属损失区域
• 5.3 瞬态“体积型缺陷”烧穿预测法
• 5.4 在役焊接烧穿判定方法的验证
• 5.4.1 内壁最高温度法
• 5.4.2 内壁径向变形
• 5.4.3 瞬态“体积型缺陷”法
• 5.4.4 分析比较
• 5.5 长输管线在役焊接烧穿失稳评定系统
• 5.5.1 系统流程图
• 5.5.2 系统界面设计
• 5.5.3 算例分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 天然气管线在役焊接烧穿的影响因素
• 6.1 天然气管线在役焊接数值模型建立
• 6.1.1 天然气管线几何模型
• 6.1.2 天然气管线边界条件
• 6.1.3 参数设置
• 6.1.4 流动介质的影响
• 6.2 天然气管线在役焊接温度场模拟
• 6.2.1 天然气管线在役焊接温度场
• 6.2.2 天然气管线在役焊接温度场与常规焊接的对比
• 6.2.3 天然气管线在役焊接“等效缺陷”求解
• 6.3 不同参数对在役焊接烧穿的影响
• 6.3.1 天然气压力的影响
• 6.3.2 焊接热输入的影响
• 6.3.3 管道壁厚的影响
• 6.3.4 管道直径的影响
• 6.3.5 参数影响的正交试验研究
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献